具有细胞器定位功能的荧光探针的构建及应用研究

The purpose of this project is to develop long wavelength fluorescent probes that can detect specific analytes in targetable organelles. Based on the characteristics of targeting organnelles and the chemical properties of analytes, the fluorescent probe is rationally designed by introducing a moleclualr recognition unit and a functional group that can localize some organelles in a fluorophore simultaneously. Based on the above mechanism, the present project plans to develop mitochondrion-targeting fluorescent probes for s-nitrosothiols and thioredoxin, lysosome-targeting fluorescent probes for β-galactosidase and acid phosphatase and Golgi apparatus-targeting fluorescent probe for nitric oxide, respectively. By utilizing these probes, the interesting biomolecules in the above organelles can be visulized in situ successfully. Compared with the traditional probes, the organnel-targetable fluorescent probes integrate the subcellular localization and molecular recognizition functionality in a single molecule, and thus show higher resolution ability for subcellular imaging, which faciliates acquiring the information of interesting biomolecules in subcellular region. In addition, the present study will provide new strategy for developing targetable fluorescent probes for other organnelles and can broaden the application of molecular probes in the field of life science.

本项目拟根据靶向细胞器的特性和被分析对象的化学性质，通过合理的分子设计，在荧光团中同时引入对特定细胞器具有定位功能和对目标分析对象具有探测功能的两个识别单元，构建对靶向细胞器中的目标生物分子具有专一识别功能的长波长荧光探针。研究开发能特异性地对线粒体中的S-亚硝基硫醇类物质及硫氧还蛋白，溶酶体中的β-半乳糖苷酶及酸性磷酸酶，以及高尔基体中的一氧化氮选择性检测的细胞器定位型荧光探针，实现对上述细胞器内目标分子的原位、动态、可视化表征，为获取生物活性分子在亚细胞结构中的信息提供有用的工具。与传统的荧光探针相比，具有细胞器定位功能的荧光探针实现了细胞内区域定位与荧光探测功能的有机结合，因此具有更高的微区域分辨能力。同时，本研究为其它细胞器定位型荧光探针的设计提供了新的思路，拓宽了分子探针在生命科学领域的应用。

对不同细胞器内的功能性活性分子实时、准确地定位检测，既可以获取生命过程中的化学生物学信息、了解生物分子的结构和功能的关系，又可以进一步在亚细胞水平上探讨不同细胞器的功能，深入研究这些活性物质的产生、存在和作用机制。本研究在荧光团中同时引入对特定细胞器具有定位功能和对目标分析对象具有探测功能的两个识别单元，构建对靶向细胞器中的目标生物分子具有专一识别功能的荧光探针，结合荧光成像技术，实现对上述细胞器内目标分子的原位、动态、可视化表征。具体研究工作中，我们以半花菁骨架为荧光团，在其结构中引入一个带正电荷亲脂性的苯并吲哚盐作为线粒体的定位基团，同时利用二苯基膦苯甲酰作为HNO的识别基团，构建了专一测定线粒体中HNO的近红外荧光探针分子；我们选择苯并吡喃嗡类染料作为环境敏感型的荧光团，以2-(4-氨基苯基)-1,3,2-二巯基砷烷（PAO-EDT）为相邻巯基的识别基团，构建了对相邻巯基蛋白质具有高灵敏度、高选择性的红外发射荧光探针，实现了对线粒体中相邻巯基蛋白质的成像分析；以7-(二乙氨基)香豆素为荧光团，以PAO-EDT为相邻巯基的特异性识别基团，设计合成了测定线粒体内邻近巯基蛋白的香豆素类比率型荧光探针；我们将苯酰肼与丙二醛的专一反应和罗丹明螺酰胺类化合物的螺环开环反应有机结合，构建了一种可专一测定罗丹明酰肼类荧光探针，实现了对溶酶体内丙二醛的成像分析。此外，我们开发了对硒醇类物质具有专一、灵敏响应的的光学探针分子，发展用于检测生物体系中硒醇的高灵敏、高选择性分析方法，并成功将这些方法应用于生物体系的硒醇测定，实现了细胞内硒醇的荧光成像分析。本研究实现了细胞内区域定位与荧光探测功能的有机结合，为研究生物活性分子在亚细胞结构中的信息提供了有用的分子工具。